韩城示范区煤层气解吸规律及其地质影响因素.pdf

2 0 1 2 年 9 月，第 1 8 卷，第 3 期，4 9 0 4 9 4 页 S e p t e mb e r 2 01 2， Vo 1 1 8， No 3， P 4 9 0 49 4 韩城示范区煤层气解吸规律及其地质影响因素 刘俊 刚 ，刘大锰 ，姚艳斌 ，周路路 ，邢力仁 中国地质大学( 北京)能源学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要：煤层气解吸特征是影响煤层气采收率及排采效果的关键要素之一。基于对韩城煤层气示范区6 2 件煤芯的解吸实验和 相关测试，分析了煤层气解吸特征及规律，探讨了解吸特征与煤级、煤质、煤岩显微组成等的相互关系。结果表明，研究 区煤层气解吸率多在9 0 一 9 5 之间；吸附时问为0 0 3 1 0 d ，8 2 的煤样小于6 d 。煤芯气体解吸具有阶段性 ，气体解吸速 率的降低主要由煤芯平均含气量的变化引起，初始解吸速率及其衰减特征与煤岩孔隙结构及其连通性有关。解吸率与煤级 相关性不明显，但随灰分产率增加而显著降低。镜质组含量的增加提高了煤层气解吸率，惰质组则相反。吸附时间随同定 碳含量、水分含量的增加而缩短 ，但有一定离散性 ，与灰分产率、显微组分含量之间关系则不明显。 关键词：煤层气；解吸率；吸附时间；韩城 中图分类号 ：P 6 1 8 1 1 文献标识码 ：A 文章编号 ： 1 0 0 6 7 4 9 3( 2 0 1 2) 0 3 0 4 9 0 0 5 De s o r pt i o n a nd i t s Ge o l o g i c a l Co n t r o l s o f Co a l be d M e t ha n e i n Ha n c h e n g De mo n s t r a t i o n Ar e a L I U J u n g a n g， L I U Da me n g ， YAO Ya n b i n， ZHOU L u l u， XI NG L i r e n S c h o o l o f E n e r g y R e s o u r c e s ， C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t ： D e s o r p t i v i t y o f c o a l b e d m e t h a n e( C B M) i s o n e o f t h e k e y c o n t r o l s t o C B M r e c o v e r y r a t i o a n d p r o d u c t i o n B a s e d o n t h e c a n i s t e r d e s o r p t i o n e x p e r i me n t s a n d r e l e v a n t d a t a o f t h e 6 2 c o a l c o r e s a mp l e s f r o m t h e Ha n c h e n g b l o c k ，t h e c o r r e l a t i o n o f t h e d e s o r p t i v i t y t o t h e g e o l o g i c a l c o n t r o l s s u c h a s t h e c o a l r a n k ， c o a l q u a l i t y a n d ma c e r a l c o mp o s i t i o n i s d i s c u s s e d Re s u l t s s h o we d t h a t t h e d e s o r p t i o n r a t i o s o f a l l s a mp l e s a r e h i g h e r t h a n 8 0 c o mmo n l y f r o m 9 0 t o 9 5 Ad s o r p t i o n t i me r a n g e s fro m 0 0 3 d t o 1 0 d ， i n wh i c h t h e d e s o r p t i o n r a t i o s o f t h e 8 2 s a mp l e s a r e l e s s t h a n 6 d CBM d e s o r b e d wi t h t h e s t a g e s ， t h e r e d u c t i o n o f t h e d e s o r p t i o n r a t e wa s r e s u h e d fr o m t h e c h a n g e o f t h e a v e r a g e CBM c o n t e n t I n i t i a l d e s o r p t i o n r a t e a n d i t s a t t e n u a t i o n a r e r e l a t e d t o t h e p o r e t e x t u r e a n d c o n n e c t i v i t y i n t h e s a mp l e s De s o r p t i o n r a t i o h a s n o t a c l e a r c o rre l a t i o n wi t h t h e c o a l r a n k b u t r e d u c e s o b v i o u s l y wi t h t h e i n c r e a s e o f a s h y i e l d Mo r e o v e r ， d e s o r p t i o n r a t i o i n c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g t h e v i t r i n i t e c o n t e n t a n d r e d u c e s wi t h d e c r e a s i n g t h e i n e r t i n i t e c o n t e n t Ad s o r p t i o n t i me s h o r t e n s d i s c r e t e l y wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e fi x e d c a r b o n o r mo i s t u r e c o n t e n t s ， b u t h a s n o t a o b v i o u s c o r r e l a t i o n wi t h t h e a s h y i e l d a n d ma e e r a l c o n t e n t Ke y wo r d s ： c o a l b e d me t h a n e ； d e s o rpt i o n r a t i o ； a d s o rpt i o n t i me ； Ha n c h e n g F i r s t a u t h o r ： L I U J u n g a n g ， Ma s t e r D c a n d i d a t e ； E ma i l ： l i u j u n g a n g 2 0 1 0 1 6 3 c o n 煤层气解吸特征是影响煤层气采收率及排采 效果 的关键要素之一 。前人在煤层气吸附特征和 机理方面取得较多研究成果 ( 钟玲文，2 0 0 4 ；苏现 收稿 日期 基金项目 作者简介 波等 ，2 0 0 5 ；姚艳斌和刘大锰 ，2 0 0 7)，但对解吸 特征和机理的了解不甚充分。聂百胜等 ( 2 0 0 0) 探 讨了压力和温度对煤层微孔隙中甲烷扩散行为的影 2 0 1 2 0 3 1 1 ；修回日期 ：2 0 1 2 0 5 1 4 国家自然科学基金项目 ( 4 1 1 0 2 0 9 9 )；国家科技重大专项 ( 2 0 1 1 Z X 0 5 0 3 4 0 0 1 ， 2 0 1 1 Z X 0 5 0 6 2 0 0 6)； 教育部新世纪优秀人才支 持项 目 ( N C E T 一 1 1 - 0 7 2 1 )；北京市优秀博士学位论文指导教师项 目 ( Y B 2 0 1 0 1 1 4 1 5 0 1 )和 中石油创新基金 ( 2 0 1 0 D 一 5 0 0 6 0 1 0 1 ) 联合资助 刘俊刚，1 9 8 6 年生，男，硕士研究生，煤层气地质方向；E - m a i l ：l i u j u n g a n g 2 0 1 0 1 6 3 C O l r l 报 学 n 质 U a 地 校 m 高 O 3 期 刘俊刚等：韩城示范区煤层气解吸规律及其地质影响因素 4 9 1 响。李前贵等 ( 2 0 0 3 )分析了煤层气解吸 、扩散和 渗流过程的影响因素 。刘 日武等 ( 2 0 1 0)认为 ，煤 层气解 吸动态过程是解 吸机理未来研究 的重点方 向。霍永忠 ( 2 0 0 4)、李小彦和解光新 ( 2 0 0 3)、 李景明等 ( 2 0 0 8 )分析了我国煤层气解吸特征及其 与煤层物质组成 、煤级 、孔隙结构 、煤层形态 、沉 积环境等的相互关系。也有学者对不同煤级或个别 矿区的煤层气解吸规律作了统计分析 ( 彭金宁等， 2 0 0 5 ；胡国艺等，2 0 0 7 ；段利江等，2 0 0 8 等 )。然 而 ，前人研究大都采用不 同系列样品 ( 如煤层气井 的解吸样和煤矿瓦斯样品 )或不同地区的样 品，缺 乏针对 f 生 地系统取样 ，导致测试结果具有较大的离 散性。本文基于韩城示范 区煤层气井6 2 件煤芯的实 际解吸数据 ，系统分析了煤层气解 吸规律 ，探讨 了 解吸特征及其影响因素 ，对深化认识煤层气解吸机 理具有积极意义 。 1 样 品与研究方法 研究 区地处鄂尔多斯盆地东南缘渭北隆起带 东段 ，构造上位于祁 吕贺 山字型构造前弧东翼 ， 总体呈一走向N E，S E 翘起 ，向N W向缓倾 的单斜 构造 。含煤 地层 为上石 炭统太原组和下二叠统 山 西组 ，3 号 、5 号和1 1 号煤层可采 。3 号煤层位 于山 西组 中下部 ，厚度多在2 m以下 ，主要集中在0 8 2 I 13 之 问 。5 号 煤层位 于太 原组 顶部 ，全 区稳 定分 布 ，厚度多在3 m以上 。1 1 号煤层位于太原组 中下 部 ，厚度变化在0 9 m之问 ( Ya o e t a 1 ，2 0 0 9)。 6 2 件煤芯样品采 自韩城示 范区4口典型煤层气 井 ，较均匀分布于3 ，5 和1 l 号煤层 。解吸数据来源 于煤芯现场快速解吸和室 内密封罐解吸实验 ，根据 中联煤层气公司企业标准 煤层气含量测定 ( Q B MC Q1 0 0 1 1 9 9 9)进行 ，由沈 阳煤层甲烷气开发 中心完成。同时，对煤样进行工业分析和显微组分 定量，由陕西省煤田地质局综合实验室完成。 煤样属 于瘦煤一贫煤 ，以半亮煤 和半暗煤为 主 ，光亮煤 和暗淡煤次 之。显微煤岩 组成 以镜质 组 为主 ，含量为6 3 0 7 9 1 0 4 ，平均 6 5 ；惰 质组次之 ，未发现壳质组 。镜质组分 以基 质镜 质 体为主，均质镜质体其次 ；惰质组分 以半丝质 体 、丝质体和碎屑惰质体为主。煤样空气干燥基 水分含量 为0 4 7 1 2 1 ，平均0 8 3 ；灰分产率 6 0 1 3 9 7 9 ，平均1 7 9 1 ，多为中、高灰煤。 2 煤层气解吸规律 2 1 解吸曲线 煤芯气体解 吸过程分为两个 阶段 ，即前期 的 快速上升阶段和后期缓慢增加阶段 ( 图1 )。初期 解 吸速率较大 ，后期解 吸速率呈幂数形式 大幅下 降，表明煤层气解吸具有阶段性的特点。 一 1 ： 鹦 譬 图l W0 2 0 3 一 O 1 煤样 累计解 吸曲线 Fi g 1 Cumu l a t i v e de s o r p t i o n o u r v e o f g a s f r o m t h e c o r e W 02 03 0l 煤芯解吸实验均在大气压下操作 ，不涉及环 境压力 降低 的影 响 ，与煤层气井排水 降压有所 区 别。根据 煤层甲烷储层工程指南 改进的双孔 隙模 型 ，得 知煤芯样 品气体解 吸速率 降低 主要 与 其平 均含气量 的变化有关 。在解 吸前期 ，煤基块 平均含气量较 高 ，能够保持较 高的浓度梯度 ；随 着气体解吸的进行 ，煤基块含气量降低 ，浓度梯 度下 降 ，造成 解吸速率 大幅降低 。然而 ，初始气 体解吸速率及其衰减特征与煤岩孔隙分布及其连 通性有关 ，气体解吸阶段性与小孔和微孔的分布 特征有关 ( 霍永忠 ，2 0 0 4)。 2 2 解吸参数 煤层气解 吸特征 常用解 吸率 和吸附时间两个 参数加 以表征 。解 吸率定义 为损失气量 、自然解 吸气量 、加热解 吸气量之 和与总含气量 的比值 。 解 吸率越高 ，煤层气采 收率可能越高 。吸附时间 定义为样品所含气体被解吸出6 3 2 F t 所用 的损失 气 时间与解 吸时间之 和 ，表 征煤层气运移 的难 易 程度 。显然 ，吸附时间短 ，则煤层气井有 可能在 美国天然气研究所 1 9 9 6 煤层 甲烷储层工程指南 叶建平等译 中国煤田地质总局第一勘探局： 9 1 9 2 4 9 2 高校地质学报 1 8卷 3期 短期内达到产能高峰 ，有利于缩短开发周期 ，但 不利于气井的长期稳产 ( 傅雪海等 ，2 0 0 0)。 6 2 件样品解吸率均大于8 0 ，平均值高达9 1 ( 图2 a )。其中以解吸率在9 0 一 9 5 之间的煤样 居多 ，占到总样品数的5 5 。吸附时间在数小时至 1 0 d 之内，以1 d 和6 d 居多 ，小于6 d 的样品占总样 品数的8 2 ( 图2 b )。可见，韩城示范区煤层气采 收率可能较高且短时间内易达到产能高峰。 3 5 3 0 25 籁 2 0 l 5 t O 5 0 20 1 6 l 2 8 4 0 ( a ) 一 - l i 8 0 8 5 8 5 9 O 9 0 9 5 9 5 1 O 0 解吸率 ( ) l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 吸附时间 ( d ) 图2 研究区解吸率 ( a )和吸附时间 ( b )分布直方图 F i g 2 H i s t o g r a ms o f d e s o r p t i o n r a t i o ( a ) a n d a d s or pt i o n t i me f b 1 i n t he s t u dy a r e a 3 解吸特征的地质影响因素 煤层气解吸特征的地 质影响 因素众多 。除了 地层压力、温度等宏观地质因素外，煤层本身的 微观地质因素也对解吸特征起着重要控制作用。 笔者认为 ，这些 因素对解 吸特征 的影响可 以概括 为两个方面 ，即对煤层吸附能力和扩散一 运移能力 的影响。下面 ，重点从微观方面讨论相关 因素 。 3 1 影响解吸率及解吸速率的地质因素 吸附能力直接影响煤层含气量 ，高含气量有 助于提高气体的平均解吸速率 ( 累计解吸气量与 煤样质量和自然解吸测定时间乘积的比值 )，使 气体容易产 出，从而提高解吸率 ( 图3)。浓度梯 度是煤层 气在煤基质块 中扩散的动力 ，含气量 的 98 96 94 JlllL 9 0 譬8 8 86 84 8 2 8 0 煤层 气含量 ( o m g j 图3 平均解吸速率 ( a)和解吸率 ( b) 与煤层含气量之 间的关 系 F i g 3 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n a v e r a g e d e s o r p t i o n s p e e d( a ) ， d e s o r p t i o n r a t i o ( b ) a n d g a s c o n t e n t 增高有助于在煤层 内形成较大 的浓度梯度。煤层 气解吸后 在微孔一小孔 中发生扩散 ，在大孔一 中 孔 中进行渗流，煤层气扩散一 运移能力极大地受到 煤 中孔隙结构及连通性 的控制 ，进而影响到解吸 率及吸附时间。 前人关于煤层气解 吸特性 与煤级之 间的关系 存在不同认识。例如，煤层气解吸率在镜质组反 射 率3 以前 随煤 级升高而 呈增大趋 势 ( 傅 雪海 等，2 0 0 0 )。在镜质组反射率1 3 5 3 2 之间， 煤级增高 ，吸附量增加 ( 钟玲文 ，2 0 0 4)。如前所 述 ，煤层气 吸附量 的增加有助于煤层解 吸率 的提 高。然而，本文煤样煤层气解吸率与镜质组反射 率关 系性却与前人认识不 同 ( 图4)。究其原 因， 一 方面可能在于本文煤样 的煤级变化范围有限 ， 另一方面不 能排 除煤岩组分 、孔渗性等对解吸产 生的影响，具体原因尚待进一步探讨。 灰分产率是煤中矿物质含量的指示，也与矿 物种类有关 。研究区煤层气解 吸率 随灰分产率增 高而呈下降趋势，特别在灰分产率5 一 2 5 之间明 显下降 ( 图5 )。煤中相当一部分矿物呈孔隙、裂 隙充填状产出。这一部分矿物 ( 主要是碳酸盐和 3 期 刘俊刚等 ：韩城示范区煤层气解吸规律及其地质影响因素 4 9 3 1 8 2 O 2 2 2 4 R。 ( ) 图4 解吸率与镜质组反射率的关系 Fi g 4 Re l a t i o n s h i p be t we e n d e s o r p t i o n r a t i o a n d c o a l r a n k 灰 分严 翠 ( ) 图5 解吸率与灰分产率的关系 F i g 5 Re l a t i o n s h i p b e t w e e n d e s o r p t i o n r a t i o a n d a s h y i e l d 粘土矿物 ) 堵塞了煤中孔隙一 裂隙系统，极大地降 低了煤层气流动速率 ( G a ms o n e t a 1 ，1 9 9 3)。矿 物质对孔隙特征的影响主要表现在它对孔隙，尤 其是大 、中孔 的充填作用 (吕志发等 ，1 9 9 1 )。 由此分析 ，充填于各类孔隙和裂隙 中的矿物质会 大大降低煤的总孔容和大孑 L 、中孑 L 体积，降低了 煤层气在煤层 中的运移能力 。此外 ，矿物质的存 在降低 了煤 中有机物质含量 ，对吸附的 甲烷起 到 了稀释冲淡作用，从而降低了煤层吸附能力。 煤基质块中的水分，特别是呈吸附状态的水 分子 ，降低 了煤 层气 的吸附 以及 扩散 能力 ( 李 9 8 9 6 9 4 ， 、 9 2 一90 篓 8 8 眭 8 6 8 4 8 2 8 0 祥春和聂百胜 ，2 0 0 6)。水为极性分子 ，甲烷是 非极性分 子 ，水 分子更 加容易取代 甲烷的位置被 吸附于煤中 ( 刘日武等 ，2 0 1 0)。然而，水分子 与甲烷分子的竞争吸附，降低了甲烷与煤基质表 面的作用力，可能有助于气体的解吸，研究区煤 芯解 吸结 果在一 定程度 上为这 一推论 提供了佐证 ( 图6)。当煤样水分含量在0 9 1 2 之间时 ， 煤层气解 吸率明显相对 增大。此外 ，本文样 品水 分含量 与解 吸率 的关 系 ，以解 吸率9 2 为界明显 分为两个区域，原因有待进一步探讨。 从煤 岩显微组分来看 ，研究 区煤层气解 吸率 随镜质组 含量的增加 而增 大 ，随惰质组 含量的增 加而降低 ( 图7)。一般来说 ，镜质组中的微孔较 为发育 ，导致其 比表 面积较 高 ，对煤层气 的吸附 能力较强 ，解 吸能力相应较弱 ，惰质组则相反 。 从这一角度分析 ，研究 区镜质组含量 与煤层气解 吸率具有 正相关关 系的原 因 ，可能在 于镜质组含 量的增加提高了煤层的吸附能力 ，吸附能力的提 高使得含气量增高 ，从而增大了煤体内部与外界 之 间的煤层气浓度梯度 ，较高 的浓度梯度可促进 水分含量 ( ) 图6 解吸率与水分含量的关系 Fi g 6 Re l a t i o n s h i p be t we e n de s o r p t i o n r a t i o a nd mo i s t ur e c n t e nt 镜质组含量 ( ) 惰质组含量 ( ) 图7 解吸率与镜质组 ( a )和惰质组 ( b) 含量的关系 F i g 7 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n d e s o r p t i o n r a t i o a n d v i t r i n i t e ( a ) ， i n e r t i n i t e ( b ) c o n t e n t 4 9 4 高校地质学报 1 8卷 3期 煤层气解吸 ，进而对提高解吸率有所贡献。 3 2 影响吸附时间的地质因素 李 景明等 ( 2 0 0 8)对大量实验数据的统计 ， 认为 中国煤层吸附时间主要为数小时至1 0 d ，吸 附时间与煤级关 系性不大 。傅雪 海 ( 2 0 0 0)也认 为我 国煤储层吸附时间与煤级没有特定关系。刘 洪林等 ( 2 0 0 0)认为吸附时间主要 与煤级 、渗透 率 、割理发育程度、煤层灰分 、煤岩组成以及煤 样粒度和吸附温度有关 。 本次研究 中吸附时间与煤级 、显微组分 、灰 分产率等均离散性较大 ，没有 明显 的关系 。而统 计分析得 出吸附时间随着 固定碳含量 和水分含量 的增加而 降低 (图8 ，图9)。水分 的增加减弱 了 甲烷气体分子与孔隙内表面的作用力 ，促进了气 体解吸的发生 ，减少了解吸后气体与孔隙表面的 再次吸附，增加扩散速率，降低了吸附时间。 一 _ 。 一 厦 留 蓝 固定碳含量 ( ， d a f ) 图8 吸附时间与固定碳含量的关系 F i g 8 P l o t s o f a d s o r p t i o n t i me t o fi x e d c a r b o n c o n t e n t 一 一 厘 曹 嫠 04 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 水分含量 ( ) 图9 吸附时间与水分含量的关系 F i g 9 P l o t s o f a d s o r p t i o n t i me t o mo i s t u r e c o n t e n t 进一步分析 ，笔者认 为本次实验 中吸附时间 在两天之 内的样 品导致上述关 系离散性增大 ，这 部分样品吸附时间较短可能与割理的发育、煤样 碎裂程度有关 。 4 结论 1)韩城示范区煤储层 的气体解吸较彻底 ，解 吸率均在8 0 以上 ，以9 0 9 5 为主 ；吸附时问 均在1 0 d 以内，小于6 d 的 占到8 2 以上。 2)煤芯气体解 吸具有 阶段性 ，且煤 的原始含 气量越高其解 吸率越高 。气体初 始解 吸速率及其 衰减特征则与煤岩孔隙分布及其连通性有关。 3)解吸率与煤级相关性不明显 ，但它随着灰 分产率增加而降低的趋势明显。研究表明，高镜 质组含量 、低灰分产率煤储 层有 利气体 的高效解 吸 ，存在高产的潜力 。 4)吸附时间随着 固定碳 、水分含量的增加 而 呈减小趋势 ，但有一定离散性 ；而灰分产率 、显 微组分含量对吸附时间的影响不明显。 参考文献 ( Re f e r e n c e s)： 段利江， 唐书恒， 刘洪林， 等 2 0 0 8 晋城地区煤层气解吸及碳同位素 分馏特征l J I _ 高校地质学报， 1 4 ( 3 ) ： 4 1 4 4 1 8 傅雪海， 秦勇， 叶建平， 等 2 0 0 0 中国部分煤储层解吸特性及甲烷采 收率l J 1 煤 田地质与勘探， 2 8( 2 ) ： l 9 2 1 胡国艺， 李谨， 马成华， 等 2 0 0 7 沁水煤层气田高阶煤解吸气碳同位 素分馏特征及其意义l J l _ 地学前缘， l 4 ( 6 ) ： 2 6 7 2 7 2 霍永忠 2 0 0 4 煤储层的气体解吸特性研究l J J 天然气工业， 2 4( 5 ) ： 2 4 - 2 7 李景 明， 刘飞， 王红岩， 等 2 0 0 8 煤储集层 解吸特征及 其影响因素叫 石油勘探与开发， 3 5( 1 ) ： 5 2 5 8 李前贵， 康毅力， 罗平亚 2 0 0 3 煤层甲烷解吸一 扩散一 渗流过程的影 响因素分析叨 煤田地质与勘探， 3 1 ( 4 ) ： 2 6 2 9 李祥春， 聂百胜 2 0 0 6 煤吸附水特性的研究【 J 太原理工大学学报， 3 7 f 4 1 ： 41 7 - 41 9 李小彦， 解光新 2 0 0 3 煤储层吸附时间特征及影响因素l J 1 天然气 地球科学， 1 4 ( 6 ) ： 5 0 2 5 0 5 刘洪林， 王红岩， 张建博 2 0 0 0 煤层气吸附时间计算及其影响因素 分析 J 石油实验地质， 2 2 ( 4 ) ： 3 6 5 3 6 7 刘